CN114086157B - 锥形结构的石墨基板 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种锥形结构的石墨基板，属于半导体技术领域。所述石墨基板为中部凸起的锥形结构，所述石墨基板上具有用于放置衬底的多个凹槽，所述多个凹槽均布在所述锥形结构的锥形面上，且所述凹槽的底面与所述石墨基板的底面呈角度设置。在本公开提供的石墨基板上生长外延片，可以使得外延片各个区域的发光波长一致，从而可以提高外延片的片内均匀性，保证边缘良率。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种锥形结构的石墨基板。
背景技术
半导体发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。LED具有高效节能、绿色环保的优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率LED实现半导体固态照明，有望成为新一代光源进入千家万户，引起人类照明史的革命。
外延片是LED制作过程中的初级成品。形成外延片时，将衬底放置在金属有机化合物化学气相沉淀(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)设备的反应腔内的托盘上，MOCVD设备中的加热丝提供的热能通过托盘传导到衬底，同时向反应腔内通入原材料，在衬底上外延生长半导体材料形成外延片。现在的托盘大部分是采用石墨基板。石墨基板上设有多个凹槽，一个凹槽中可以容纳一个衬底。
在实现本公开的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
在外延片的形成过程中会高速旋转石墨基座，凹槽中的衬底受到离心力作用而向远离石墨基座中心的方向偏移，导致衬底的部分区域与石墨基座接触。衬底与石墨基座接触的区域的生长温度会高于衬底未与石墨基座接触的区域的生长温度，生长温度的不同使得外延片出现翘曲，同一个衬底的生长温度相差越大，衬底上形成的外延片的翘曲越明显。
由于分布在同心圆中不同圆上的凹槽中的衬底与石墨基座中心之间的距离不同，因此衬底受到的离心力不同。受到的离心力越大，衬底的边缘与石墨基座接触区域的面积越大，衬底与石墨基座接触区域的生长温度和衬底与石墨基座非接触区域的生长温度相差会越大，衬底上形成的外延片的翘曲越明显。所以，石墨基座上同时形成的外延片的翘曲会存在差异，极大影响了各个外延片的波长均匀性。
发明内容
本公开实施例提供了一种锥形结构的石墨基板，可以使得外延片各个区域的发光波长一致，从而可以提高外延片的片内均匀性，保证边缘良率。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种锥形结构的石墨基板，所述石墨基板为中部凸起的锥形结构，所述石墨基板上具有用于放置衬底的多个凹槽，所述多个凹槽均布在所述锥形结构的锥形面上，且所述凹槽的底面与所述石墨基板的底面呈角度设置。
可选地，从所述石墨基板的中心至所述石墨基板的边缘，所述凹槽的底面与所述石墨基板的底面的夹角θ逐渐减小，0°＜θ＜90°。
可选地，所述锥形结构的锥形面与所述石墨基板的底面的夹角为α，0.5°＜α＜10°。
可选地，所述石墨基板的顶部分布有多个导气沟槽，每个所述导气沟槽均为环形槽，所述环形槽与所述石墨基板同心设置。
可选地，所述石墨基板的顶部均布有n个所述导气沟槽，1≤n≤10。
可选地，所述石墨基板的顶部分布有多个导气沟槽，多个所述导气沟槽均为弧形槽，多个所述弧形槽均与所述石墨基板同心设置。
可选地，多个所述导气沟槽沿所述石墨基板的周向等距间隔布置。
可选地，所述石墨基板的顶部均布有m个所述导气沟槽，2≤m≤12。
可选地，每个所述导气沟槽的深度均为2～10mm。
可选地，每个所述导气沟槽的宽度均为2～10mm。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将石墨基板设置为锥形结构，在石墨基板的顶面设置多个用于放置衬底的凹槽。多个凹槽均布在锥形结构的锥形面上，且凹槽的底面与石墨基板的底面呈角度设置，可以使衬底并非水平放置，而是与水平面存在一定的角度，以达到高转速下温场的平衡和Mo源分配的联动，使得石墨基板中心区域的Mo源和气流会沿边沿部分产生吹扫，有角度后调节水平气流的干扰。改善常规的温场和流场在一个二维平面的局限性分布，实现三维温场和流场的合理改造，进而可以保证在石墨基板上同时生长的各个外延片的波长均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例提供的一种锥形结构的石墨基板的正视图；
图2是本公开实施例提供的一种锥形结构的石墨基板的俯视图；
图3是在现有的石墨基板上生长的外延片发光波长的示意图；
图4是本公开实施例提供的石墨基板上生长的外延片发光波长的示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种锥形结构的石墨基板的俯视图，如图1所示，一种锥形结构的石墨基板，石墨基板100为中部凸起的锥形结构110，石墨基板100上具有用于放置衬底的多个凹槽100a，多个凹槽100a均布在锥形结构110的锥形面上，且凹槽100a的底面与石墨基板100的底面呈角度设置。
本公开实施例通过将石墨基板设置为锥形结构，在石墨基板的顶面设置多个用于放置衬底的凹槽。多个凹槽均布在锥形结构的锥形面上，且凹槽的底面与石墨基板的底面呈角度设置，可以使衬底并非水平放置，而是与水平面存在一定的角度，以达到高转速下温场的平衡和Mo源分配的联动，使得石墨基板中心区域的Mo源和气流会沿边沿部分产生吹扫，有角度后调节水平气流的干扰。改善常规的温场和流场在一个二维平面的局限性分布，实现三维温场和流场的合理改造，进而可以保证在石墨基板上同时生长的各个外延片的波长均匀性。
可选地，从石墨基板100的中心至石墨基板100的边缘，凹槽100a的底面与石墨基板100的底面的夹角θ逐渐减小，0°＜θ＜90°。
一方面，可以引入垂直温场分布改善水平温场；另一方面，夹角θ逐渐减小，可以匹配不同位置的凹槽中Mo源、线速度的不同，使得外延片生长的均匀性提升。
可选地，锥形结构110的锥形面与石墨基板100的底面的夹角为α，0.5°＜α＜10°。
若α的角度过大，会导致垂直方向温场变化过大，且外延片易发生飞片；若α的角度过小，又会导致垂直方向的温场改善难以有效达到目的。
图2是本公开实施例提供的一种锥形结构的石墨基板的俯视图，如图2所示，在本公开实施例的一种实现方式中，石墨基板100的顶部分布有多个导气沟槽100b，每个导气沟槽100b均为环形槽，环形槽与石墨基板100同心设置。
通过在锥形石墨基座的顶部附近设置一定数量的导气沟槽，可以将MO源引入中心区域均衡MO源的分布，从而提高外延片波长的一致性。
可选地，石墨基板100的顶部均布有n个导气沟槽100b，1≤n≤10。
若n的数量过多，会导致区域效应会变得显著，影响整个流场平衡。
在本公开实施例的另一种实现方式中，石墨基板100的顶部分布有多个导气沟槽100b，多个导气沟槽100b均为弧形槽，多个弧形槽均与石墨基板100同心设置，且多个环形槽位于同一圆周上。
可选地，多个导气沟槽100b沿石墨基板100的周向等距间隔布置。
可选地，石墨基板100的顶部均布有m个导气沟槽100b，2≤m≤12。
可选地，每个导气沟槽100b的深度均为2～10mm。
若每个导气沟槽100b的深度过深，会导致气流在导气沟槽内形成局部涡流或湍流，影响导气沟槽附近流场。若每个导气沟槽100b的深度过浅，又难以发挥导气沟槽的作用。
可选地，每个导气沟槽100b的宽度均为2～10mm。
若每个导气沟槽100b的宽度过宽，会导致气流在导气沟槽内形成局部涡流或湍流，影响导气沟槽附近流场。若每个导气沟槽100b的宽度过窄，难以发挥导气沟槽改善气流的目的。
可选地，石墨基板100是以高纯石墨作基材，上表面上渡有碳化硅涂层的石墨基板。石墨基板100的上表面上具有多个用于容纳衬底的凹槽，其中凹槽的各个面上也涂覆有碳化硅涂层。
为了更好的理解本申请，以下示例性地说明下，在本公开实施例中提供的石墨基板上生长的外延片的具体结构以及外延片的具体生长过程。
该外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的氮化镓层、N型层、有源层、P型层以及P型接触层。
可选地，衬底为蓝宝石衬底、Si或SiC衬底。
可选地，缓冲层为GaN层，厚度为15～35nm。
可选地，未掺杂的GaN层的厚度为1～5um。
可选地，N型层为掺Si的GaN层，厚度为1um～2um。N型层中Si的掺杂浓度可以为1018cm-3～1020cm-3。
可选地，有源层包括n个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层，2≤n≤10。且n为正整数。每个InGaN阱层的厚度为2～3nm，每个GaN垒层的厚度为7～10nm。
可选地，P型层为掺Mg的氮化镓层，厚度为50～100nm，Mg的掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。
可选地，P型接触层为掺Mg的氮化镓层，厚度10～25nm，Mg的掺杂浓度为5*1019cm-3～1*1020cm-3。
需要说明的是，上述提供的外延片仅为一种示例性地结构，实际外延生长过程中，还可以为其它外延结构，本公开实施例对此不做限制。
本公开实施例还提供了一种在石墨基板上生长的发光二极管外延片的生长方法，该生长方法包括：
步骤301、提供一衬底。
其中，衬底可采用蓝宝石平片衬底。
进一步地，步骤301还可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃，在氢气气氛中对衬底进行6分钟～10分钟退火处理；
对衬底进行氮化处理。
通过上述步骤清洁衬底的表面，避免杂质掺入外延片中，有利于提高外延片的生长质量。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 or RB MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延片的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为氮源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，即Si源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，即Mg源。反应室压力为100-600torr。
在步骤301中，可以将衬底放入MOCVD设备的石墨基板中，该石墨基板即为上述图1和2所示的石墨基板。
步骤302、在衬底上生长缓冲层。
示例性地，控制反应腔温度为400℃～600℃，压力为200～500torr，生长厚度为15～35nm的缓冲层。
步骤303、对缓冲层进行原位退火处理。
示例性地，控制反应室温度在1000℃～1200℃，压力为100～300mbar，对成核层进行原位退火处理，时间在5分钟至10分钟之间。
步骤304、在缓冲层上生长未掺杂的氮化镓层。
示例性地，控制反应腔温度为1000℃～1100℃，压力为100～500torr，生长厚度为1～5um的未掺杂的GaN层。
步骤305、在未掺杂的氮化镓层上生长N型层。
其中，N型层的厚度可以为1～5um，N型层中Si的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3。
示例性地，控制反应腔内的温度为1000℃～1200℃，压力为100～500torr，在未掺杂的GaN层上生长厚度为1～5um的N型层。
步骤306、在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括n个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层，2≤n≤10。且n为正整数。
可选地，每个InGaN阱层的厚度为2～3nm，每个GaN垒层的厚度为7～10nm。
步骤307、在有源层上生长P型层。
其中，P型层为掺Mg的氮化镓层，厚度为50～100nm，Mg的掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。P型接触层的生长温度为800～1000℃，生长压力为200～500torr。
步骤308、在P型层上生长P型接触层。
其中，P型接触层为掺Mg的氮化镓层，厚度10～25nm，Mg的掺杂浓度为5*1019cm-3～1*1020cm-3。P型接触层的生长温度为700～900℃，生长压力为200～400torr。
图1所示的石墨基板的另一种具体实现包括：石墨基板100上具有用于放置衬底的12个凹槽100a，12个凹槽100a均布在锥形结构110的锥形面上，且凹槽100a的底面与石墨基板100的底面呈角度设置。
从石墨基板100的中心至石墨基板100的边缘，凹槽100a的底面与石墨基板100的底面的夹角θ逐渐减小，5°≤θ≤30°。
可选地，锥形结构110的锥形面与石墨基板100的底面的夹角为α＝5°。
石墨基板100的顶部分布有3个导气沟槽100b，每个导气沟槽100b均为环形槽，环形槽与石墨基板100同心设置。3个导气沟槽100b的深度均为5mm，3个导气沟槽100b的宽度均为5mm。
图3是在现有的石墨基板上生长的外延片发光波长的示意图，参见图3，同一个外延片靠近石墨基板100的中心的区域和远离石墨基板100的中心的区域在发光波长上是不同的(即图3中同一外延片中靠近石墨基板和远离石墨基板的区域的灰度差异较大)，特别是远离石墨基板100的中心的十个外延片在发光波长上的差异比较明显(即图3中位于最外圈的十个外延片之间的灰度差异较大)。
图4是本公开实施例提供的石墨基板上生长的外延片发光波长的示意图，参见图4，相比于图3，同一个外延片靠近石墨基板100的中心的区域和远离石墨基板100的中心的区域在发光波长上的差异很小(即图4中同一外延片中靠近石墨基板和远离石墨基板的区域的灰度差异较小)，特别是远离石墨基板100的中心的十个外延片在发光波长上的差异明显减小(即图4中位于最外圈的十个外延片之间的灰度差异较小)。
本公开实施例通过将石墨基板设置为锥形结构，在石墨基板的顶面设置多个用于放置衬底的凹槽。多个凹槽均布在锥形结构的锥形面上，且凹槽的底面与石墨基板的底面呈角度设置，可以使衬底并非水平放置，而是与水平面存在一定的角度，以达到高转速下温场的平衡和Mo源分配的联动，使得石墨基板中心区域的Mo源和气流会沿边沿部分产生吹扫，有角度后调节水平气流的干扰。改善常规的温场和流场在一个二维平面的局限性分布，实现三维温场和流场的合理改造，进而可以保证在石墨基板上同时生长的各个外延片的波长均匀性。
图1所示的石墨基板的又一种具体实现包括：石墨基板100上具有用于放置衬底的24个凹槽100a，24个凹槽100a均布在锥形结构110的锥形面上，且凹槽100a的底面与石墨基板100的底面呈角度设置。
从石墨基板100的中心至石墨基板100的边缘，凹槽100a的底面与石墨基板100的底面的夹角θ逐渐减小，5°≤θ≤30°。
可选地，锥形结构110的锥形面与石墨基板100的底面的夹角为α＝10°。
石墨基板100的顶部分布有3个导气沟槽100b，每个导气沟槽100b均为环形槽，环形槽与石墨基板100同心设置。3个导气沟槽100b的深度均为10mm，3个导气沟槽100b的宽度均为10mm。
本公开实施例通过将石墨基板设置为锥形结构，在石墨基板的顶面设置多个用于放置衬底的凹槽。多个凹槽均布在锥形结构的锥形面上，且凹槽的底面与石墨基板的底面呈角度设置，可以使衬底并非水平放置，而是与水平面存在一定的角度，以达到高转速下温场的平衡和Mo源分配的联动，使得石墨基板中心区域的Mo源和气流会沿边沿部分产生吹扫，有角度后调节水平气流的干扰。改善常规的温场和流场在一个二维平面的局限性分布，实现三维温场和流场的合理改造，进而可以保证在石墨基板上同时生长的各个外延片的波长均匀性。
图1所示的石墨基板的又一种具体实现包括：石墨基板100上具有用于放置衬底的8个凹槽100a，8个凹槽100a均布在锥形结构110的锥形面上，且凹槽100a的底面与石墨基板100的底面呈角度设置。
从石墨基板100的中心至石墨基板100的边缘，凹槽100a的底面与石墨基板100的底面的夹角θ逐渐减小，5°＜θ＜10°。
可选地，锥形结构110的锥形面与石墨基板100的底面的夹角为α＝0.5°。
石墨基板100的顶部分布有3个导气沟槽100b，3个导气沟槽100b沿石墨基板100的周向等距间隔布置。且3个环形槽均与石墨基板100同心设置。3个导气沟槽100b的深度均为2mm，3个导气沟槽100b的宽度均为2mm。
本公开实施例通过将石墨基板设置为锥形结构，在石墨基板的顶面设置多个用于放置衬底的凹槽。多个凹槽均布在锥形结构的锥形面上，且凹槽的底面与石墨基板的底面呈角度设置，可以使衬底并非水平放置，而是与水平面存在一定的角度，以达到高转速下温场的平衡和Mo源分配的联动，使得石墨基板中心区域的Mo源和气流会沿边沿部分产生吹扫，有角度后调节水平气流的干扰。改善常规的温场和流场在一个二维平面的局限性分布，实现三维温场和流场的合理改造，进而可以保证在石墨基板上同时生长的各个外延片的波长均匀性。
图1所示的石墨基板的又一种具体实现包括：石墨基板100上具有用于放置衬底的8个凹槽100a，8个凹槽100a均布在锥形结构110的锥形面上，且凹槽100a的底面与石墨基板100的底面呈角度设置。
从石墨基板100的中心至石墨基板100的边缘，凹槽100a的底面与石墨基板100的底面的夹角θ逐渐减小，5°＜θ＜15°。
可选地，锥形结构110的锥形面与石墨基板100的底面的夹角为α＝0.5°。
石墨基板100的顶部分布有3个导气沟槽100b，每个导气沟槽100b均为环形槽，环形槽与石墨基板100同心设置。3个导气沟槽100b的深度均为2mm，3个导气沟槽100b的宽度均为2mm。
本公开实施例通过将石墨基板设置为锥形结构，在石墨基板的顶面设置多个用于放置衬底的凹槽。多个凹槽均布在锥形结构的锥形面上，且凹槽的底面与石墨基板的底面呈角度设置，可以使衬底并非水平放置，而是与水平面存在一定的角度，以达到高转速下温场的平衡和Mo源分配的联动，使得石墨基板中心区域的Mo源和气流会沿边沿部分产生吹扫，有角度后调节水平气流的干扰。改善常规的温场和流场在一个二维平面的局限性分布，实现三维温场和流场的合理改造，进而可以保证在石墨基板上同时生长的各个外延片的波长均匀性。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种石墨基板，其特征在于，所述石墨基板(100)为中部凸起的锥形结构(110)，所述石墨基板(100)上具有多个用于放置衬底的凹槽(100a)，所述凹槽(100a)均布在所述锥形结构(110)的锥形面上，且所述凹槽(100a)的底面与所述石墨基板(100)的底面呈角度设置；
所述石墨基板(100)上具有多个虚拟同心圆轨迹，各所述虚拟同心圆轨迹均与所述锥形结构(110)同心，且各所述虚拟同心圆轨迹相互间隔排布，沿各所述虚拟同心圆轨迹依次间隔排布有多个所述凹槽(100a)；
从所述石墨基板(100)的中心至所述石墨基板(100)的边缘，各所述虚拟同心圆轨迹对应的所述凹槽(100a)的底面与所述石墨基板(100)的底面的夹角θ逐渐减小，0°＜θ＜90°。
2.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，所述锥形结构(110)的锥形面与所述石墨基板(100)的底面的夹角为α，0.5°＜α＜10°。
3.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，所述石墨基板(100)的顶部分布有多个导气沟槽(100b)，每个所述导气沟槽(100b)均为环形槽，所述环形槽与所述石墨基板(100)同心设置。
4.根据权利要求3所述的石墨基板，其特征在于，所述石墨基板(100)的顶部均布有n个所述导气沟槽(100b)，1≤n≤10。
5.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，所述石墨基板(100)的顶部分布有多个导气沟槽(100b)，多个所述导气沟槽(100b)均为弧形槽，多个所述弧形槽均与所述石墨基板(100)同心设置，且多个所述弧形槽位于同一圆周上。
6.根据权利要求5所述的石墨基板，其特征在于，所述石墨基板(100)的顶部均布有m个所述导气沟槽(100b)，2≤m≤12。
7.根据权利要求3至6任一项所述的石墨基板，其特征在于，每个所述导气沟槽(100b)的深度均为2～10mm。
8.根据权利要求3至6任一项所述的石墨基板，其特征在于，每个所述导气沟槽(100b)的宽度均为2～10mm。
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